6S rRNA phylogeny outperforms similarity thresholds for species identification and reveals genus-dependent underestimation of Lactobacillales diversity

प्रत्येक जीवित प्राणी अपने डीएनए में निहित एक जैविक इतिहास को वहन करता है, जो एक आणविक रिकॉर्ड है जो वैज्ञानिकों को बताता है कि कोई जीव क्या है और वह दूसरों से किस प्रकार संबंधित है। बैक्टीरिया के लिए, जो इतने छोटे होते हैं कि स्पष्ट रूप से देखे न जा सकें और अक्सर सूक्ष्मदर्शी के नीचे एक जैसे ही दिखते हैं, यह आनुवंशिक रिकॉर्ड ही एक प्रजाति को दूसरी से अलग करने का एकमात्र विश्वसनीय तरीका है। दशकों से, शोधकर्ता इन सूक्ष्म जीवन रूपों की पहचान करने के लिए एक सार्वभौमिक बारकोड के रूप में कार्य करने हेतु एक विशिष्ट जीन, जिसे 16S rRNA जीन के रूप में जाना जाता है, पर भरोसा करते आए हैं। मानक विधि ज्ञात अनुक्रमों (sequences) के एक विशाल पुस्तकालय के विरुद्ध एक नए बैक्टीरियल नमूने की तुलना करना रही है, जिसमें इस आधार पर मिलान देखा जाता है कि आनुवंशिक कोड के अक्षर कितने समान हैं। यदि समानता पर्याप्त उच्च है, आमतौर पर एक निश्चित प्रतिशत से ऊपर, तो नमूने को एक ज्ञात प्रजाति के रूप में निर्दिष्ट कर दिया जाता है। यह दृष्टिकोण सूक्ष्मजीव विज्ञान (microbiology) का कार्यवाहक रहा है, लेकिन इसमें एक कमी है: जब दो अलग-अलग प्रजातियों के आनुवंशिक कोड लगभग समान होते हैं, तो सरल तुलना पद्धति अक्सर उनके बीच अंतर करने में विफल हो जाती है, जिससे वैज्ञानिक इस बात को लेकर अनिश्चित रह जाते हैं कि वे वास्तव में किसका अध्ययन कर रहे हैं।

यह अनिश्चितता अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि बैक्टीरिया केवल अमूर्त नाम नहीं हैं; वे हमारे भोजन, हमारे स्वास्थ्य और हमारे पर्यावरण के इंजन हैं। उदाहरण के लिए, किण्वन (fermentation) की दुनिया में, लैक्टिक एसिड बैक्टीरिया की विभिन्न प्रजातियां बहुत अलग कार्य करती हैं। कुछ सुरक्षित, स्वादिष्ट दही और पनीर बनाने के लिए आवश्यक हैं, जबकि अन्य बीमारी या खराबी का कारण बन सकती हैं। यदि एक शोधकर्ता एक सहायक बैक्टीरिया और एक हानिकारक बैक्टीरिया के बीच अंतर नहीं कर सकता है, तो इसके परिणाम भोजन के एक खराब बैच से लेकर गलत चिकित्सा निदान तक हो सकते हैं। यह चुनौती विशेष रूप से उन स्थानों पर तीव्र है जहाँ समृद्ध जैव विविधता है लेकिन संसाधन कम हैं, जहाँ वैज्ञानिकों को अपने आस-पास के सूक्ष्मजीवी जीवन का मानचित्रण करने के लिए किफायती और सटीक उपकरणों की आवश्यकता होती है। कोलंबिया के यूनिवर्सिडैड ईएफआईटी (Universidad EAFIT) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए एक प्रयास किया कि क्या इन आनुवंशिक बारकोड को पढ़ने का एक अधिक परिष्कृत तरीका इस समस्या को हल कर सकता है, जिसके लिए उन्होंने अपने देश के विविध पारंपरिक किण्वित खाद्य पदार्थों से प्राप्त बैक्टीरिया के एक विविध संग्रह का उपयोग किया।

शोधकर्ताओं ने डेयरी उत्पादों, किण्वित फलों और पौधों पर आधारित खाद्य पदार्थों सहित विभिन्न स्रोतों से सैकड़ों बैक्टीरियल स्ट्रेन एकत्र किए, जिन्हें कोलंबिया के पहाड़ों, घाटियों और तटों से एकत्र किया गया था। उन्होंने इन नमूनों से डीएनए निकाला और 'मिनियन' (MinION) नामक एक पोर्टेबल, किफायती उपकरण का उपयोग करके 16S rRNA जीन को अनुक्रमित (sequence) किया, जो बिना किसी विशाल, केंद्रीकृत प्रयोगशाला की आवश्यकता के उच्च गुणवत्ता वाले आनुवंशिक विश्लेषण की अनुमति देता है। एक बार जब उनके पास आनुवंशिक अनुक्रम आ गए, तो उन्होंने केवल डेटाबेस में निकटतम मिलान खोजने के बजाय, 'मैक्सिमम लाइकलीहुड' (Maximum Likelihood) नामक एक विधि का उपयोग करके बैक्टीरिया के लिए एक विस्तृत वंशावली वृक्ष (family tree) बनाया। यह दृष्टिकोण केवल यह नहीं गिनता कि दो अनुक्रमों के बीच कितने अक्षर समान हैं; बल्कि यह उन विशिष्ट परिवर्तनों के पैटर्न का विश्लेषण करता है जो समय के साथ हुए हैं ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि बैक्टीरिया आपस में कैसे संबंधित हैं। यह समूह के विकासवादी इतिहास के पुनर्निर्माण का एक तरीका है, जो एक विशिष्ट परिवार या प्रजाति को परिभाषित करने वाले साझा लक्षणों की तलाश करता है।

जब टीम ने केवल समानता की जांच करने वाली मानक पद्धति की तुलना इस विकासवादी दृष्टिकोण से की, तो परिणामों में अंतर स्पष्ट था। मानक पद्धति, जो एक सरल प्रतिशत मिलान पर निर्भर करती है, अक्सर एक एकल बैक्टीरियल नमूने के लिए दर्जनों संभावित प्रजातियां लौटा देती थी, जिससे शोधकर्ताओं के पास कोई स्पष्ट उत्तर नहीं बचता था। कई मामलों में, बैक्टीरिया इतने समान थे कि मानक उपकरण उन्हें अलग नहीं कर सका, जिससे प्रभावी रूप से अलग-अलग प्रजातियों को एक साथ समूहबद्ध कर दिया गया। इसके विपरीत, विकासवादी वृक्ष पद्धति ने आधे से अधिक बैक्टीरियल स्ट्रेन की प्रजाति स्तर तक सफलतापूर्वक पहचान की। शोधकर्ताओं ने पाया कि कई समूहों के लिए, वृक्ष पद्धति सटीक रूप से यह निर्धारित कर सकती थी कि एक स्ट्रेन किस प्रजाति से संबंधित है, क्योंकि यह उन अद्वितीय आनुवंशिक हस्ताक्षरों को खोज लेती थी जिन्हें सरल तुलना पद्धति छोड़ देती थी। हालांकि, अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि यह उच्च रिज़ॉल्यूशन हर स्थिति के लिए कोई जादुई समाधान नहीं है। कुछ जेनेरा (genera), या संबंधित बैक्टीरिया के समूहों में, प्रजातियों के बीच आनुवंशिक अंतर इतना कम होता है कि उन्नत वृक्ष पद्धति भी उन्हें अलग नहीं कर पाती है, जिसका अर्थ है कि कुछ प्रकार के बैक्टीरिया के लिए, प्रजातियों की संख्या अनिश्चित बनी रहती है।

निष्कर्ष बताते हैं कि बैक्टीरिया की पहचान करने का तरीका सरल मिलान से बदलकर संबंधों को समझने की ओर बढ़ने की आवश्यकता है। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि एक अधिक कठोर, विकासवादी ढांचे का उपयोग करके, शोधकर्ता सूक्ष्मजीवी विविधता की एक बहुत अधिक स्पष्ट तस्वीर उजागर कर सकते हैं, जिससे दर्जनों प्रजातियों की पहचान की जा सकती है जो पहले छिपी हुई थीं या गलत तरीके से पहचानी गई थीं। सटीकता का यह स्तर उन उद्योगों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जो विशिष्ट बैक्टीरिया पर निर्भर करते हैं, जैसे कि खाद्य उत्पादन और प्रोबायोटिक्स, जहाँ गलत प्रजाति सुरक्षा संबंधी समस्याओं या विफल उत्पादों का कारण बन सकती है। इसके अलावा, अनुसंधान ने यह सिद्ध किया कि इस उच्च-स्तरीय विश्लेषण को किफायती और स्थानीय स्तर पर किया जा सकता है। पोर्टेबल अनुक्रमण उपकरण का उपयोग करके और अपने स्वयं के विश्लेषण पाइपलाइन बनाकर, टीम ने दिखाया कि समृद्ध जैव विविधता वाले देशों को अपने स्वयं के सूक्ष्मजीवी संसाधनों को समझने के लिए महंगे, केंद्रीकृत केंद्रों की प्रतीक्षा करने की आवश्यकता नहीं है। वे अपने पारंपरिक खाद्य पदार्थों और वातावरण में विशिष्ट बैक्टीरिया की पहचान विश्वास के साथ कर सकते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उनके क्षेत्र की अद्वितीय जैविक विरासत को सटीक रूप से प्रलेखित और संरक्षित किया जाए।